什么是微机电系统

姜澄宇：微机电系统(全文)

姜澄宇：各位，今天很有幸跟大家一起来讨论一下微机电系统方面的问题。 我想从四个方面我们来探讨一下。第一个，首先我们要来谈论一下什么是微机电系统？这是最基本的一个概念。第二个，我们要提一个问题，为什么要微型，为什么要做得小？第三个方面，我们怎么能做到微型，怎么做出来？最后，我们想把这个领域的进展，也做一个展望，看看未来是一个什么样的前景。

 

    我先说第一个问题，什么是微机电系统。那么大家看到，左上图是一个微型的镊子，镊了一个直径是5微米的一个玻璃光纤。这个五个micron的。右边这张图是我们所说的一个微型镊子和传统镊子，我们平时用的镊子，的尺度的一个对比。这是一个例子来说明，这个微型镊子它能够做我们在微观领域的一些夹持和操作。很小的东西，你怎么来操作它呢？比如说是细胞，比如说是光纤，这就需要这样的工具，而这个微型镊子它就是一个微机电系统。

这是一个马达，一个硅制作的微型马达。这个马达中间的转子的直径只有60微米，右下图是一个头发，一根人的头发丝，和那个马达的转子的一个比较，可以看出来它比人的头发还要细，这么细小的一个微型马达。

    这个例子，是一个微型的加速度计，这个加速度计可以测量五个重力加速度。中间的黄颜色的那一块，是它的质量块，这个质量块的尺寸是510微米见方，实际上就相当于我们一毫米的一半，所以这个尺度应该是很小的一个尺度。

    这是我们先拿三个例子来说明一下，什么是微机电系统，一个感性的认识。目前世界上对于微机电系统，还没有一个统一的定义。在日本，它通常被称之为叫做“微机械”，Micro Machine。在欧洲，通常称为“微系统”，Micro System。在美国称为Micro electro Mechanical System，就是我们所说的“微机电系统”。那么我们中国比较倾向于最后这样一种说法，认为它比较完整、准确地刻画了我们现在所论的这个微机电系统的一些主要的特征。

    那么微机电系统的尺度范围，一般就是在微米到几个毫米之间，也不一定都是做到微米以下，可以到毫米量级。通过这张图可以看到，我们的电视机大约是在10的零次方米，大概就是一米左右。普通的手机呢，大概是在10个厘米左右。这里画出来的蚂蚁、昆虫，那么就是到了若干个毫米的量级。那么毫米以下，我们展示了人的头发丝，还有更小的齿轮，还有上面我们列了一个MEMS的一个系统。所以它基本上在这张图里头，从最左边的10的负6次方到10的负3次方大一点，在这个范围里面，就是我们所谈论的它的尺度范围。

 

    第二个方面，我们谈一谈功能问题。大家可以看到，我们可以做一个很细很细的金属棒，也可以做一个很微小的齿轮。这个还不能说是我们所说的微机电系统。作为一个系统来讲，我们认为它应该包含着可运动的部件，或者可运动的流体，这样的微型器件。多数，由这些器件里面构成的系统；它要有传感器，就是我们讲的sensor；或者是制动器，我们也叫做执行器，它可以做一些操作了，就是actuator，要有这两个功能，或者有其一。另外，它可以和电路联系起来，构成一个小小的系统，它这个系统，有的还具有信号处理和控制功能，有的有接口电路，有的还可以进行通讯，还可以进行communication，有的还要带电源，所以这个所谓的system，它和一个零件是有所差别的。所以这样的一个系统，就是我们所追求的，我们所要探索，所要进行研究的微机电系统。这是这么一个概念。

 

    姜澄宇：刚才简单地介绍了一下微机电系统的一些概念。我们紧接着就要问了，你为什么把它做小？要做得往微型这个方面来发展？我们这里要探讨一下微型有什么好处。

我们直观地来看一下，微型化它有一系列的优点，包括重量轻、耗能低、便于携带等等。

而这些优势在有些场合是非常非常得重要，比如说，我们航空航天的机载设备，那么机载设备有的是很重的。大家知道，在我们这里学航空和航天的同学很多，航空设计和制造（领域）里面有一个口号，就是“为降低一克重量而奋斗”，听起来好像是很过分，一克有什么了不起。实际上航空和航天，特别是航天领域就是这么来看，一克都是非常重要。如果说我们在功能上，同样都能够满足功能的、性能的要求的话，那么我们微机电系统的产品就具有很大的优势，它比我们传统的产品呢，就小了很多。

    这里可以给出一个例子，大家可以看一看。这个是我们在航空和航天上面经常要用的。大家比较熟悉的叫做陀螺。左边这个是一个传统的陀螺，它的质量是1500多克；尺寸，这里面写了是15厘米